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    汶川地震甘肅省文縣地震地質(zhì)災(zāi)害遙感分析①

    2011-01-27 01:12:10陳文凱何少林張?zhí)K平周中紅
    地震工程學(xué)報(bào) 2011年4期
    關(guān)鍵詞:文縣烈度泥石流

    陳文凱,何少林,張?zhí)K平,周中紅

    (1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地,甘肅 蘭州 730000)

    0 引言

    20世紀(jì)60年代中期遙感技術(shù)就開始用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。早期常用的遙感資料較單一,主要利用航片、美國陸地衛(wèi)星圖像對重點(diǎn)區(qū)域或重點(diǎn)工程項(xiàng)目進(jìn)行滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作[1]。隨著遙感新技術(shù)的快速發(fā)展,遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用逐漸從單一的遙感資料向多時(shí)相、多數(shù)據(jù)源的復(fù)合分析;從靜態(tài)滑坡識別、形態(tài)分析向滑坡變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測過渡;從對滑坡的定性調(diào)查向計(jì)算機(jī)輔助的定量分析過渡[2]。遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域中,前人已經(jīng)做了很多卓有成效的探索和研究工作。如卓寶熙將遙感應(yīng)用于大量的工程地質(zhì)勘察中[3];李發(fā)斌利用遙感和GIS技術(shù)進(jìn)行了滑坡敏感性分析、可能性分析及風(fēng)險(xiǎn)性研究[5];張繼賢利用3S技術(shù)對滑坡進(jìn)行監(jiān)測、評估研究[6];王治華提出了“數(shù)字滑坡”的概念[7]。但目前還存在一些不足:多為平面解譯;輔助數(shù)據(jù)如DEM、環(huán)境因素等數(shù)據(jù)利用較少,解譯精度不高;信息提取工作多為遙感數(shù)字圖像處理,GIS空間分析功能利用較少;自動(dòng)解譯方法中研究尺度較小,災(zāi)害提取范圍較??;地震地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯較少,烈度與次生地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系研究較少。

    強(qiáng)烈地震發(fā)生在山區(qū)時(shí)常常會(huì)導(dǎo)致大量的山地地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,尤其是在我國西北、西南的高山地區(qū)。這里由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,河流深切,山坡陡峭,基巖風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,當(dāng)有外界因素如強(qiáng)烈地震動(dòng)影響時(shí),就會(huì)發(fā)生大量的山體滑坡、崩塌、滾石等災(zāi)害。地震時(shí)高原峽谷地區(qū)道路破壞嚴(yán)重,地面調(diào)查條件惡劣,采用常規(guī)方法進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查十分困難。因此遙感技術(shù)在2008年汶川大地震后在地震地質(zhì)災(zāi)害、房屋損毀、公路損毀等調(diào)查中被大量運(yùn)用,并得到了較好效果[10-17]。但是在甘肅省文?縣地區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害研究中應(yīng)用較少,尚無公開研究結(jié)果。根據(jù)前人研究結(jié)果了解到崩塌滑坡多發(fā)生在地震烈度Ⅶ度及以Ⅶ度上地區(qū),Ⅷ度區(qū)及以上地區(qū)發(fā)生的可能性急劇增大[9]。據(jù)中國地震局公布的烈度范圍,甘肅省文縣烈度包括Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ三個(gè)烈度區(qū)域,因此本文對甘肅省文縣進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害遙感快速提取方法探討,根據(jù)人機(jī)交互解譯了該區(qū)域的次生地質(zhì)災(zāi)害,并研究和探討地震地質(zhì)災(zāi)害影像特征、地震地質(zhì)災(zāi)害與坡度、海拔高度、烈度之間的關(guān)系,分析文縣區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害分布特點(diǎn),為我國西部地震多發(fā)區(qū)的防災(zāi)提供參考,研究結(jié)果可為甘肅省文縣災(zāi)后恢復(fù)重建工作提供科學(xué)依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

    1.1 研究區(qū)概況

    文縣位于甘肅省隴南市的東南,東南接四川省廣元市和九寨溝縣,北鄰陜西寧強(qiáng)縣。地形自東向西由丘陵區(qū)向高山峻嶺、深山峽谷區(qū)展布,形成西高東低的地形,山地約占總面積的90%。境內(nèi)白龍江、白水江由西至東穿流而過,匯入嘉陵江。山峰海拔高程1 000~4 187m之間,河谷海拔高程550~1 650m。甘肅省文縣在汶川地震中受到嚴(yán)重破壞,根據(jù)中國地震局公布的汶川地震烈度,文縣烈度包含了Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度,其中Ⅶ度、Ⅷ度區(qū)占其絕大部分,肖家鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng)、范壩鄉(xiāng)(東部)、玉壘鄉(xiāng)(東南)處于Ⅸ度高烈度區(qū)。

    圖1 甘肅省文縣烈度分布圖(中國地震局,2008)Fig.1 Distribution of earthquake intensity in Wenxian county,Gansu province.

    1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

    根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn),選用TM、ETM影像、Aster影像、SPOT5影像作為遙感數(shù)據(jù)源。影像空間分辨率為2.5m、15m、30m,其中SPOT5影像只有震后一景影像,Aster影像有地震前后影像,TM/ETM影像均為震前影像。其中TM影像為2006年5月19日拍攝的,ETM影像為2001年5月12日拍攝的,Aster影像為2008年6月1日和2006年3月8日拍攝的,SPOT5影像為2008年5月16日拍攝的,有少量的薄云,圖像整體質(zhì)量較好。輔助數(shù)據(jù)為1:5萬地形圖、1:5萬DEM、Aster-DEM 數(shù)據(jù)。

    在已有的矢量地形圖、行政區(qū)劃圖、柵格DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用ENVI4.6對收集到的SPOT影像進(jìn)行正射糾正,對ASTER、TM、ETM、經(jīng)過正射糾正過的SPOT影像分別進(jìn)行幾何精糾正,然后進(jìn)行圖像拼接、裁剪、增強(qiáng)等處理。在ArcGIS軟件中進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害解譯。DEM數(shù)據(jù)要進(jìn)行分類,得到坡度分類圖和高程分類圖,并將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。在植被遙感中,歸一化植被指數(shù)(NDVI- Normailized Difference Vegetation Index)的應(yīng)用最為廣泛,因此本文中通過計(jì)算NDVI指數(shù)來表征文縣的植被覆蓋情況。由公式NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)得到文縣的 NDVI,其中NIR、R為TM影像的近紅外波段和紅波段。然后利用公式 F=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)得到該區(qū)域的植被覆蓋度,其中F為植被覆蓋度,NDVImax和 NDVImin分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最大值和最小值,最后得到文縣植被覆蓋度(圖5)。

    2 震區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害的影像特征解譯分析

    基于遙感技術(shù)的地震地質(zhì)災(zāi)害的解譯分析過程中一般采用歷史比較法、直判法和綜合辨認(rèn)法。歷史比較法就是采用地震前后兩期遙感影像,通過對同一地區(qū)對比來發(fā)現(xiàn)有無地震地質(zhì)災(zāi)害;直判法就是根據(jù)圖像中的地物標(biāo)志直接判斷為震害。本文中根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害在震后遙感影像上的形狀、色調(diào)、紋理等空間結(jié)構(gòu)信息,結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分析,并根據(jù)地震前后影像進(jìn)行對比分析,了解地震地質(zhì)災(zāi)害的影像特征,采用人機(jī)交互方法獲取研究區(qū)的次生山地災(zāi)害分布信息。

    (1)滑坡?;滦纬珊笤谛逼律暇哂兄車^陡,中間有一個(gè)較平緩的臺(tái)地的圈椅狀或馬蹄狀特征。一個(gè)發(fā)育完全的滑坡具有滑坡體、滑坡壁、滑坡臺(tái)階、滑坡舌、滑坡鼓丘、破裂緣、后緣洼地等要素[13-14]?;略谟跋裰谐8鶕?jù)色調(diào)、形態(tài)和滑坡表面特征進(jìn)行識別,具有明顯的滑坡體和滑坡后壁特征:滑坡多呈圈椅狀且坡度較陡;在SPOT影像中滑坡周邊背景呈草綠色,而滑坡體則呈現(xiàn)粉紅色,如圖2所示。

    圖2 SPOT影像中的滑坡Fig.2 Landslide on SPOT image.

    (2)泥石流。泥石流是介于挾沙水流與滑坡之間的山區(qū)土(碎石)、水、氣的混合物,一般由物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)組成。泥石流可分為溝谷型與坡面型。在SPOT影像中泥石流色調(diào)為粉紅色,但其形狀多呈勺狀、漏斗狀,多發(fā)生在溝谷中,泥石流流通區(qū)寬窄不一,溝槽彎曲(圖3)。

    圖3 SPOT影像中的泥石流Fig.3 Debris flow on SPOT image.

    (3)崩塌。崩塌是斜坡的一部分在重力作用下突然傾倒、跌落,多發(fā)生于坡度大于45°、高度大于30m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上[15]。崩塌具有明顯的崩塌壁,其下方為崩塌堆積物。因此在遙感影像中表現(xiàn)為粗細(xì)間雜的紋理特征,新的崩塌色調(diào)呈白色,老的色調(diào)較深一些(圖4)。

    本文中也探討了利用植被指數(shù)(NDVI)來增強(qiáng)災(zāi)害體影像特征,自動(dòng)提取次生山地災(zāi)害體。發(fā)現(xiàn)在植被覆蓋較好,災(zāi)害體面積較大,且震前沒有舊災(zāi)害體分布時(shí)效果較好,自動(dòng)提取效果如圖5所示,其自動(dòng)提取的地震地質(zhì)災(zāi)害精度為:地震地質(zhì)災(zāi)害正確識別率為77.97%,虛警率為15.84%(正確識別率f=Nr/Ns,虛警率s=Ne/Nj,其中Nr識別出的正確目標(biāo)數(shù),Ns為實(shí)際目標(biāo)數(shù),Ne為識別出的虛假目標(biāo)數(shù),Nf為檢測到的總目標(biāo)數(shù))。但在河谷、居民點(diǎn)、耕地等植被覆蓋較低地區(qū),災(zāi)害體面積較小時(shí),這種方法并不適用,精度較低,自動(dòng)選擇合適的閾值較困難,對災(zāi)害體大范圍難以有效提取。如圖6,可以看出自動(dòng)提取災(zāi)害體,存在著大量的“同物異譜,異物同譜”現(xiàn)象,將河谷、居民地、耕地誤作為地質(zhì)災(zāi)害提取出來了。

    圖4 震后ASTER三維影像Fig.4 ASTER three-dimensional image.

    圖5 ASTER影像自動(dòng)提取災(zāi)害體Fig.5 Automatic extraction of hazard from ASTER image.

    圖6 農(nóng)耕區(qū)自動(dòng)提取災(zāi)害體效果Fig.6 Automatic extraction of hazard on farming area.

    3 次生山地災(zāi)害分布特征

    基于地震前TM、ETM影像與震后ASTER、SPOT影像對比分析,根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害在遙感影像上的特征,得到研究區(qū)內(nèi)山地災(zāi)害分布圖(圖7)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),研究區(qū)中共解譯到滑坡、泥石流、崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害545條,主要集中分布在中廟鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、范壩鄉(xiāng)、肖家鄉(xiāng)、玉壘鄉(xiāng)、尚德鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、丹堡鄉(xiāng),山地災(zāi)害在空間上具有分布范圍廣、但又不均勻的特點(diǎn)。

    從圖中可以看出研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害在白龍江、白水江流域分布較廣,具有沿河谷發(fā)育且呈不對稱分布的特點(diǎn),但在高烈度區(qū)如范壩鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng)則沒有明顯的沿河谷發(fā)育的特點(diǎn),斷層影響并不是很大。河谷地區(qū)人類活動(dòng)頻繁,對地表植被破壞嚴(yán)重,河谷還有國道212線穿過,這些地區(qū)巖石破碎,在地震時(shí)產(chǎn)生了大量的崩塌、滑坡,對公路和居民點(diǎn)破壞嚴(yán)重。山地災(zāi)害與植被覆蓋度也有一定的關(guān)系,這在高烈度區(qū)表現(xiàn)并不明顯,但在低烈度區(qū)絕大多數(shù)地震地質(zhì)災(zāi)害都發(fā)生在植被覆蓋度低的區(qū)域。究其原因在高烈度區(qū)域地震是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因,如果沒有地震這些地區(qū)可能很難發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,而在低烈度區(qū)地震對地質(zhì)災(zāi)害的影響力降低,地形環(huán)境、地震動(dòng)兩者都影響著地震地質(zhì)災(zāi)害的分布,缺一不可。

    圖7 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.7 Distribution of geo-h(huán)azard in the study area.

    (1)地震地質(zhì)災(zāi)害與坡度之間的關(guān)系

    利用文縣的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)將研究區(qū)地形坡度按10度間隔劃分為8級,圖8是研究區(qū)內(nèi)不同坡度范圍的山地地震地質(zhì)災(zāi)害分布面積統(tǒng)計(jì)圖。從圖中可以看出,文縣地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在坡度為40°~50°、30°~40°間,其中坡度40°~50°間地質(zhì)災(zāi)害面積 最 多 (占 40.25%);其 次 為 30°~40°(占30.54%);在坡度20°~30°與50°~60°之間也有地震地質(zhì)災(zāi)害分布,但相對來說較少;大于或小于這兩個(gè)坡度區(qū)間則地質(zhì)災(zāi)害分布極少;大于70°則沒有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。由此可以認(rèn)為地震導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生于20°~60°的邊坡上。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能是坡面穩(wěn)定性差,底層中的原始層面是構(gòu)成岸坡變形破壞的主控面,而重力影響程度大小又主要取決于巖層面向臨空方向的傾角。本來邊坡地形在重力作用下就不是很穩(wěn)定,當(dāng)有強(qiáng)烈地震增加其作用力時(shí)更易發(fā)生地震地質(zhì)災(zāi)害。

    (2)地震地質(zhì)災(zāi)害與海拔高度之間的關(guān)系

    圖8 不同坡度地質(zhì)災(zāi)害所占面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Area cartogram of geo-h(huán)azard with different slopes.

    利用研究區(qū)內(nèi)的1:5萬的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件下進(jìn)行空間分析運(yùn)算。首先高程數(shù)據(jù)按照500m的等間隔劃分為12類,然后將分類柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量面狀數(shù)據(jù)。在Arc-GIS中利用Analysis Tools工具將高程面狀數(shù)據(jù)與數(shù)字化好的山地災(zāi)害進(jìn)行疊加分析,得到不同高程范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布面積(圖9)。從圖9中可以看出,研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布具有明顯的差異性,從海拔1 000~1 500m開始有地質(zhì)災(zāi)害的分布,到1 500~2 000m分布最廣,然后隨著海拔的升高地質(zhì)災(zāi)害越來越少,在3 500~4 000m則沒有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

    圖9 不同海拔高度地質(zhì)災(zāi)害所占面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Area cartogram of geo-h(huán)azard with different altitudes.

    表1 不同地震烈度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布統(tǒng)計(jì)表

    圖10 不同地震烈度地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.10 Distribution of geo-h(huán)azard in different earthquake intensity areas.

    (3)地震地質(zhì)災(zāi)害與烈度之間的關(guān)系

    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),研究區(qū)中共解譯到滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害545條,地質(zhì)災(zāi)害主要集中分布在Ⅷ度、Ⅸ度高烈度區(qū)內(nèi),Ⅶ度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害零星分布,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布明顯與地震烈度有關(guān)。本文中統(tǒng)計(jì)了文縣不同烈度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害分布個(gè)數(shù)、面積、面積比,如表1所示。從表中可以看出地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在Ⅷ、Ⅸ度區(qū),Ⅶ度區(qū)內(nèi)山地災(zāi)害零星分布,這與孫崇紹等[16]根據(jù)歷史地震統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果一致,既地震引發(fā)的滑坡、崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在地震烈度Ⅶ度及Ⅶ度以上區(qū)域。

    根據(jù)解譯結(jié)果如圖10可以得到地震烈度較小時(shí),如Ⅶ、Ⅷ度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害由地形地貌、植被覆蓋情況、外力(地震動(dòng))等因素控制,因此低烈度區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害分布在河谷、低植被覆蓋度地區(qū)。在高烈度區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生主要由外力(地震動(dòng))控制,所以在高烈度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害受地形地貌、植被覆蓋等因素的影響較小,其分布在并沒有沿著河谷、低植被覆蓋度的地方分布。

    4 結(jié)論與討論

    本文利用汶川地震前后的遙感影像對研究區(qū)文縣進(jìn)行了人機(jī)交互提取地震地質(zhì)災(zāi)害,得到了文縣地震地質(zhì)災(zāi)害分布圖,從中得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

    (1)基于遙感技術(shù)的人機(jī)交互識別地震地質(zhì)災(zāi)害,能夠快速獲取地震災(zāi)區(qū)的災(zāi)情。利用中等空間分辨率影像如TM、ASTER數(shù)據(jù)時(shí),需要有地震前后影像對比判別,尤其是在河谷滑坡、泥石流多發(fā)地段,只有震后影像則無法準(zhǔn)確判別是地震后發(fā)生的災(zāi)害還是地震前就已經(jīng)有的老地質(zhì)災(zāi)害。高空間分辨率影像如SPOT影像時(shí)則可以通過對地震地質(zhì)災(zāi)害影像色調(diào)的對比來識別災(zāi)害體。

    (2)基于多光譜影像可以通過計(jì)算植被指數(shù)、濕度指數(shù)等特征來增強(qiáng)地震地質(zhì)災(zāi)害,尤其是在植被覆蓋度較高的地區(qū)更為適用。但在本來植被覆蓋不好的地區(qū)如居民區(qū)、耕地、河谷等則不能夠真實(shí)的反映該地區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害。自動(dòng)提取方法閾值很難選擇,大范圍自動(dòng)提取效果較差,需要進(jìn)一步探索研究。

    (3)地震引發(fā)的山地地震地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、崩塌、泥石流等。在研究區(qū)文縣境內(nèi)山地地震地質(zhì)災(zāi)害分布就有500多處,主要分布在高地震烈度區(qū)(范壩鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng))、沿白水江和白龍江河谷地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)山地地震地質(zhì)災(zāi)害集中分布在20°~60°的邊坡上,且在1 000~2 500m的海拔高程范圍以內(nèi)發(fā)生地震地質(zhì)災(zāi)害的概率更大一些。

    (4)地震次生山地災(zāi)害與地震烈度緊密相關(guān),隨著地震烈度的增加,地震地質(zhì)災(zāi)害分布也越來越多,面積也越多。根據(jù)研究區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害分布圖可以再次證明了地震次生山地災(zāi)害主要分布在Ⅶ度及Ⅶ度以上區(qū)域,與前人研究成果一致。烈度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系密切,如果在相同或相似的地形環(huán)境下建立起烈度與地震地質(zhì)災(zāi)害之間對應(yīng)關(guān)系,就可以根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害情況來客觀迅速了解區(qū)域地震烈度,有利用地震災(zāi)情的快速獲取。

    致謝:感謝甘肅省地震局應(yīng)急處為本研究免費(fèi)提供了汶川地震前后遙感影像,感謝陳永明老師對本文研究過程中提供的幫助和指導(dǎo)。

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